初中物理课我们都学过,摩擦力与接触面积无关,摩擦力的公式是f=μN,μ是摩擦系数,也就是物体表面的粗糙程度,越粗糙这个系数越大。N指的就是压力大小,压根没面积啥事。汽车行驶需要轮胎有足够强的抓地力,才能不打滑。而抓地力就是地面给轮胎的反作用力,可以简单理解为轮胎与地面的摩擦力,摩擦力越大,抓地力越强。那么既然摩擦力与接触面积无关,为什么动力强的车,轮胎都做的很宽?难道不是为了增加摩擦力吗?
实际上没错,轮胎宽主要的作用就是为了增加摩擦力,提升抓地力的。我们实际中就能看到,一条很窄的轮胎就是容易打滑。比如面包车的轮胎,我看到过很多次,快速起步或者急加速的时候,轮胎会打滑空转,甚至磨得都冒烟了。而那些性能较好的车,用的轮胎很宽,就没见到有打滑的。
课本上的摩擦力公式使用范围是滑动摩擦力,而汽车轮胎大多数时间属于滚动摩擦力,根本不适用。滑动摩擦力是两个物体表面发生相对滑动时产生的阻力,比如把木头箱子在地上拖,就属于这种情况。这时只和两个接触面的材质和压力有关。但滚动摩擦力就不适用这个公式,和滑动摩擦力的原理完全不同。
主要是汽车轮胎是橡胶制成的,是软性的材料,它能变形。从微观角度看,轮胎的橡胶分子和地面分子之间会互相渗透。意思是轮胎表面不那么平整,会有凹凸不平,地面也是凹凸不平。就会出现轮胎凸起的地方正好嵌入地面凹陷的地方,地面凸起的地方又嵌入轮胎凹陷的地方,像是两个锯齿咬合在一起。这样就不是单纯的表面摩擦力了,已经形成了立体撕扯。轮胎与地面的接触面积越大,这种互相嵌入的分子就越多,肯定摩擦力就要越大。
还有一个原因是轮胎会产生一个较大的变形,也会产生一个变形阻力。这个阻力计算就很复杂了,轮胎的变形量有影响,地面的硬度有影响,轮胎结构也有影响。举个直观的例子就容易理解,假设推一个没气的自行车,比推满气的费劲多了,就是因为没气的轮胎形变太大,滚动阻力增大了。并且在水泥地上推和在沙地里推,阻力又不一样。
所以说,增大轮胎宽度,增加接触面积,就是可以增大摩擦力。当然,除了增加摩擦力以外,还会增加稳定性,增加转弯时的侧向支撑性。
宽胎越宽,接地面积越大,就能更均匀地分散车身重量。比如在高速上遇到横风,或者路面有轻微起伏、小石子时,窄胎可能会有轻微的晃动,但宽胎因为接触地面的范围更广,能更快抵消这些干扰,车身会更稳。就比如穿高跟鞋在冰面上走,再刮着大风,就不容易站稳了。如果穿着运动鞋,增加了脚与冰的接地面积,就会稳很多,不容易滑倒。
还有转弯时车子不容易侧滑,转弯速度太快了,车子会产生一个很大的离心力,就是整辆车都被往外甩。如果想要稳定,就需要轮胎提供足够的侧向抓地力,来抵消这个力,防止侧滑。宽胎的接地面积大,能提供的侧向抓地力就越高,就不容易出现轮胎抓不住地,被甩出去的情况。
最后,宽轮胎不只是满足性能上的要求,对于视觉效果也起到了很大的作用。宽胎配大轮毂,往那一停,看起来更稳重、更有气势,气场直接拉满,一看就是一辆好车。要是一台车身宽大的奔驰S级,配个窄窄的轮胎,从侧面看跟细脚伶仃,多掉价。